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无功补偿、谐波治理技术推动设备节能

   钢铁企业用电具有负荷功率大、冲击性负荷大、启动制动频繁、非线性负荷容量大等特点。大型轧机、电焊机、电弧炉等设备的运行会使系统电压发生波动、三相负荷不平衡、功率因数降低、线损增加,同时还会向电网注入大量谐波造成污染,引发供用电设备故障。
    马钢集团第四钢轧总厂用电负荷主要为各种异步电机、整流变频装置、电弧炉,这必然导致电网中无功消耗巨大,功率因数偏低,非线性设备引起的谐波污染和电磁干扰激增。因此,对电网进行无功补偿谐波治理,使电网各项指标达到国家标准要求尤为重要。

科学确定无功补偿方式

    补偿方式的确定。无功补偿的基本原则是要统筹考虑、合理布局、分级补偿、就地平衡,总体平衡与局部平衡相结合,既要满足全网的总无功平衡,又要满足各线路、各开关站的无功平衡。无功补偿点的合理选择以及补偿容量的确定,要能够有效维持系统电网的电压水平,增强系统的电压稳定性,避免远距离传输大量无功而造成的有功网损。
    目前工程上应用的并联电容器补偿形式主要包括:高压集中补偿、低压集中补偿和分散就地补偿。
    四钢轧炼钢、热轧、冷轧3个区域共有19个高压开关站(含水处理),由第二能源总厂1台220kV/110kV/35kV(240MVA)变压器和1台110kV/35kV(75MVA)变压器(单供2号LF炉)供电,其中炼钢区域平均负荷为37000kVA左右,热轧为47000kVA左右,冷轧为26000kVA左右。考虑到生产需要、现场运行环境、设备维护保养以及减少新区电网无功潮流等实际情况,四钢轧全部31套补偿滤波装置均采用高压集中补偿方式。
    典型工程实例。热轧粗轧开关站II段进线的主要负荷为5台电压10kV、功率3150kVA的高压水除磷泵电机。根据马钢新区电网的统一要求,10kV系统根据每一条进线回路考核功率因数(cosφ),其功率因数波动范围须达到0.97到1。对应此要求,粗轧II段进线安装了一套无功补偿装置,安装容量达6000kvar。
    在投入补偿装置SC1和SC2后,功率因数明显提高,假设线路损耗为总电能消耗量的5%,则仅粗轧开关站II段进线每年就可降低电能损耗100万余千瓦时,直接节约电费开支50多万元,经济效益显著,各项经济指标完全满足企业和电网的要求。

谐波治理须从源头入手

    谐波来源。第四钢轧总厂配电网络中的高次谐波主要有两个来源。一是电力电子装置,包括气体放电光源、变压器、软启动设备和IGBT、IEGT整流逆变设备等,其中要数各种整流逆变设备所占比例最大,整流电路大都采用晶闸管相控整流电路或二极管整流电路。整流电路的直流侧采用电容滤波的二极管整流电路,这种电路输入电流的基波分量的相位与电源相位大致相同,所以基波功率因数接近1,但其输入电流的谐波成分含量却很大,而且在整流设备交流侧和直流侧都会产生高次谐波,给电网造成了严重污染。另一个谐波主要来源是电弧炉,电弧炉谐波主要是由起弧的时延和电弧的严重非线性引起的,电弧长度的不稳定性和随机性使其电流谐波频谱十分复杂。大型电弧炉在生产过程中,负荷电流不断剧烈地发生变化,三相电弧不均衡,导致产生三次谐波;交流电的正负半周换相,石墨电极和钢水交替作阴极和阳极,由于发射电子能力不一样,故电流的正负两个半周的波形不对称,造成偶次谐波;电弧的电阻值不恒定,并且在交流电弧的半个周期中电弧的电阻也在变动,造成电弧电流非正弦畸变。其谐波频率主要分布在0.1Hz~30Hz,其中2次、3次、5次谐波最为严重,其平均值可达基波分量的5%~10%,谐波电流流入电网,会使电压波形发生畸变,引起电气设备发热、振动、保护误动作等。
    典型工程实例。四钢轧的300吨2号LF炉为超大功率钢包精炼炉,采用35kV电压等级供电,35kV母线的短路容量为526MVA,根据设计数据,LF炉变压器额定容量为45MVA,则精炼炉在110kV母线上引起的电压波动为0.9%,低于国标允许值。相比电压波动而言,谐波污染问题更为严重。根据工程设计方提供的数据,可计算出LF炉的谐波电流发生量。
    为使电能质量达到国家相关标准,在2号LF炉建设的同时,就配套了一套滤波补偿设备。该设备主要由2次、3次、4次、5次4个滤波通道组成,同时预留一路动态补偿SVC的TCR入口。整套装置投运后可有效滤除高次谐波,减少电弧炉对系统造成的无功冲击以及电压波动和闪变。
    从监测结果看,加装滤波装置后,主要各次谐波电流均有效消除或减少,降低了设备故障率。电压波动、闪变、电压偏差等电网不利因素在滤波补偿装置投运后,也得到明显改善,目前电压波动和闪变已降至较低水平,电网电压非常平稳,几乎不波动。无功冲击被有效补偿,功率因数在生产时可达0.95以上,大大降低了生产成本。
    目前存在的问题。电力系统不允许无功功率向电网倒送,因为无功倒送相当于有一个不受供电部门控制的电源向电网送电,会对电网的安全运行构成不稳定因素。尽管生产厂家都强调自己的设备不会造成无功功率的倒送,但是实际情况却并非如此。因为对于接触器控制的补偿柜,补偿量是三相同时调节的,补偿量很难做到准确控制,这可能在生产负荷处于低谷时造成无功功率严重倒送,使得电网电压在某个时段过高,甚至过电压。无功倒送引起电网无功功率过剩的问题,应该予以充分重视。
    另外,无功补偿回路中的谐波,主要作用于设备的发热,只有先治理谐波,才能保证补偿电容器自身的安全运行。电网内所装的电力电容器的主要作用是进行无功功率补偿,而马钢电网内安装的不少补偿电容器还兼有滤波功能。严格来讲,主要用于系统无功补偿的电力电容器不应兼有谐波滤波或其他改善系统谐波的作用,应划清职责范围,不能搞补偿、滤波兼顾,以利于设备的安全运行和使用。


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